生物膜电极法反硝化脱氮的研究

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1、生物膜电极法反硝化脱氮的研究综述陈月（河北联合大学研究生学院，河北唐山，063009）摘要：从电化学和生物学角度简要阐述了生物膜电极法反硝化脱氮的基本原理，介绍了影响生物膜电极法反硝化的一系列因素以及国内外研究概况。然后探讨了生物膜电极法有待改进的问题，最后对生物膜电极法在水处理领域中的应用进行了展望。关键词：生物膜电极；反硝化；脱氮硝酸盐氮污染主要是农业生产中大量使用化肥的结果，而工业废水特别是食品、皮革、造纸等轻工业排出的大量有机氮化合物和硝酸盐废水也是导致水体硝酸盐氮污染的原因。硝酸盐氮污染问题已引起人们的广泛关注。[1]水体中硝酸盐

2、氮和亚硝酸盐氮含量超标，不仅使水环境质量恶化，还对人类以及动、植物有严重危害作用。当它存在水体中时会加速水体的“富营养化”过程。[2]而过量的硝酸盐摄入人体之后，由于硝酸盐在硝酸盐还原菌的作用下还原成亚硝酸盐，导致亚硝酸盐水平的升高，进而引起高铁血蛋白症。此外，过量的硝酸盐会破坏细胞和组织的呼吸，使血液中乳酸、胆固醇和白血球增加，从而引起多种疾病。[3]近年来关于脱除水体中硝酸盐氮的研究非常活跃，并取得了很大进展。传统的脱氮工艺有物理、化学和生物反硝化处理工艺。传统的物理脱氮工艺有反渗透、离子交换、电渗析等。物理法虽然简单易行，但是去除的硝

3、酸盐又会毫无变化的返回环境中，这相当于只是将N03-进行了转移，而没有最终去除。化学法具有工艺简单的优点，但是操作复杂、化学污泥难处理及脱氮效率。生物法运行方式很灵活且成本较低，可脱氮效率也不是很理想。近年来，一种将化学法和生物法结合的新工艺生物膜电极法逐渐发展起来，具有不需有机碳源、电解法氧化还原能力高以及生物膜与电极之间传质高效等特点。1生物膜电极法脱氮的基本原理生物膜电极是在电极上形成生物膜，通电后产生电极反应和微生物的生物反应的综合反应。[4]电极生物膜法的基本原理包括电化学原理和生物原理。1.1电化学原理生物膜电极法充分利用了电化

4、学作用，其基本过程是：在电极之间通入一定的电流，在阴极产生氢气，在阳极产生二氧化碳，产生的气体分别为反硝化菌提供氢源和碳源。这一过程，俗称电解。1.2生物原理主要是培养出具有反硝化能力的自养反硝化细菌将硝酸盐转化为氮气，达到脱氮的目的。从硝酸盐到氮气，经一系列的连续的反应完成：NO3-→NO2-→NO→N2O→N2总之，电极生物膜法的其本原理是：自养反硝化菌利用电解产生的氢气为电子受体，二氧化碳气体为营养源，将硝酸盐转化为氮气，达到脱氮的目的。其中采用碳质阳极时，产生二氧化碳(如方程4)，可用于维持反应器的中性环境，采用金属阳极时，产生氧气

5、(如方程5)，可用于进行硝化反应。但是在同一操作条件下，两种材料作为阳极的反应器的反硝化效率没有明显差别。投加外加碳源时，可实现自养-异养联合反硝化(如方程6)。[2]阴极反应：2H2O+2e-→H2+2OH-(1)1/2O2+2e-+H2O→2OH-(2)2NO3-+5H2→N2+2OH-+4H2O(3)阳极反应：C+2H2O→CO2+4H++4e-(4)2H20→O2+4H++4e-(5)8NO3-+5CH3COOH→4N2+10CO2+6H2O+8OH-(6)与单纯的生物膜法相比，电极生物膜法的优点主要体现在利用电极上，一是利用电极作

6、为生物膜的载体，二是利用电场微电解水释放出的H+做为反硝化菌提供电子受体。一方面，由于H+是从生物膜外因电场吸引力作用穿透生物膜向内扩散的，所以生物膜中的微生物能高效利用H+进行反硝化作用；另一方面，阴极板上产生的氢气又通过生物膜溢出，在生物膜附近形成了缺氧环境，有利于反硝化菌的生长。2生物膜电极法脱氮的影响因素影响反硝化效果的因素很多，根据当前许多学者对于各种水源的试验结果，概括起来主要有以下几点：2.1pH值对反硝化的影响pH是影响反硝化的一个重要环境因子。大多数学者都认为：反硝化的最佳的pH值范围在中性和微碱性之间。pH的影响有两个方

7、面：(1)对反硝化速率的影响。反硝化最适宜的pH为8．3，当偏离这一最佳pH值时，反硝化速率减慢。(2)影响反硝化的最终产物。徐亚同[5]通过试验发现了当pH低于6.0时，最终产物N2O占优势；当pH大于8时，会出现亚硝氮的积累，并且pH愈高，亚硝氮积累愈严重。原因是高pH值抑制了亚硝酸盐还原酶的活性。2.2DO对反硝化的影响生物反硝化需要在缺氧的环境中才能进行。这也是电化学自养脱氮反应器的关键技术要求。反应器内的氧化还原电位能够间接的反映其内环境的氧化还原特性，这与水中的DO量和氢气量有关。如高廷耀的研究表明:进水DO为2.5mg/L时，

8、在2h内仍能获得较好的反硝化效果。但当进水DO>4.5mg/L时，反硝化效果将明显降低，进出水的硝酸盐浓度几乎没有变化。这是由于过高的溶解氧含量对N03--N在阴极生物膜上的还原